(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナビゲーションシステム（２００）であって、
基準受信機（２１０）と、
ユーザ受信機（２０２）と、
前記基準受信機（２１０）および前記ユーザ受信機（２０２）の共通視野にある全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星（２０６）とを含み、前記基準受信機（２１０）および前記ユーザ受信機（２０２）は前記ＧＰＳ衛星（２０６）から搬送波測距信号（２０８、２０９）を受信し、前記ナビゲーションシステムはさらに、
前記基準受信機（２１０）および前記ユーザ受信機（２０２）の共通視野にある第１の地球低軌道（ＬＥＯ）衛星（２２２）を含み、前記基準受信機（２１０）および前記ユーザ受信機（２０２）は、前記第１のＬＥＯ衛星（２２２）から受信されたＬＥＯ搬送波測距信号のそれぞれの第１および第２の測定値を計算するよう構成されており、
前記ユーザ受信機（２０２）は、前記ＬＥＯ衛星（２２２）を介して前記基準受信機（２１０）から前記第１の測定値を受信し、前記第１および第２の測定値を適用して、前記ユーザ受信機（２０２）によって受信された前記搬送波測距信号（２０８）の信号位相の演繹的推定値を推定するよう構成されており、前記演繹的推定値をトラッキング可能な積分間隔にわたって、前記搬送波測距信号（２０８）が平均化される、ナビゲーションシステム。
【請求項２】
複数のＬＥＯ衛星（２２２）をさらに含み、前記複数のＬＥＯ衛星（２２２）の１つ以上は前記演繹的推定値に寄与する、請求項１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
【請求項３】
前記ユーザ受信機（２０２）は、前記演繹的推定値を求めるために天体暦情報を採用しており、前記積分間隔の一部の間隔にわたって、前記搬送波測距信号（２０８）が平均化される、請求項１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
【請求項４】
複数のＧＰＳ衛星（２０６）をさらに含み、前記ＧＰＳ衛星（２０６）からの複数のそれぞれの搬送波測距信号（２０８、２０９）は、前記受信機（２０２）によって組合されてナビゲーションソリューションを形成する、請求項１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
【請求項５】
複数のＧＰＳ衛星（２０６）をさらに含み、前記ＧＰＳ衛星（２０６）からの複数のそれぞれの搬送波測距信号（２０８、２０９）は、前記受信機（２０２）によって組合されてナビゲーションソリューションを形成する、請求項２に記載のナビゲーションシステム（２００）。
【請求項６】
前記平均化は、前記ＧＰＳ衛星（２０６）からの前記搬送波測距信号（２０８、２０９）に埋込まれたコード位相測距情報を復元させるために使用される、請求項１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
【請求項７】
前記第１および第２の測定値は、前記ユーザ受信機（２０２）に、前記基準受信機（２１０）と前記ユーザ受信機（２０２）との間の精密な相対時間推定値を提供する、請求項１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
【請求項８】
前記演繹的推定値を推定するために、前記複数のＬＥＯ衛星（２２２）およびＧＰＳ衛星（２０６）のジオメトリの変化が、前記ユーザ受信機（２０２）によって採用される、請求項５に記載のナビゲーションシステム（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
この発明は一般に、ナビゲーションシステムに関し、より特定的には、電波妨害および干渉が起こりがちな環境で動作する衛星ナビゲーションシステムに関する。近年、全地球測位システム（Global Positioning System：ＧＰＳ）のユーザらは、リアルタイムの３次元ナビゲーション能力を、以前には利用できなかった性能レベルで享受してきた。そのようなＧＰＳシステムは、干渉および電波妨害に対するそれらの感受性を除けば、正確な全世界的衛星ナビゲーションの約束を大いに果たしてきた。にもかかわらず、ユーザらは引続き、特に正確度および完全性−すなわち、ナビゲーションシステムがナビゲーション情報の誤りを検出する能力−について、ますます高いナビゲーション性能を要求している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
残念ながら、電波妨害および／または干渉の存在は、特に或る軍事用途または生命安全用途において、ＧＰＳをナビゲーションの手段として十分に頼りにすることを妨げてきた。民間航空機では、電波妨害による安全性リスクは通常、問題ではない。航空機を代わりの飛行場で無事地上に戻すために、さまざまな不測事態への対策が開発されてきた。しかしながら、現在構築されているようなＧＰＳへの依存は、航空交通、ひいては商業一般への大規模な混乱のリスクをもたらす恐れがある。さらに、地上および海上輸送、ならびに電力配電、インターネット、携帯電話および金融取引の時間計測といった日常的なインフラストラクチャにＧＰＳが取り入れられているまでの増加は、電波妨害からのＧＰＳ信号の意図的な混乱による潜在的な社会的脆弱性の増大につながる。
【０００４】
ＧＰＳ信号は比較的弱い（ユーザは全方向性アンテナの端子でほぼ−１６０ｄＢＷを受信する）ため、ほんの少しの電波妨害でナビゲーション能力は低下する。たとえば、低コストの５Ｗの妨害器は、特にユーザとの見通し線接触がある場合、半径数１０マイルでのＧＰＳの使用を混乱させるのに十分である。そのような感受性は、衛星ナビゲーションの実用性に不利に働き、反対に、飛行に使用される従来のより高出力のナビゲーション支援装置に有利に働く傾向があり、それらの中にはＧＰＳよりも前から存在するものもあり、ＶＯＲ、ＤＭＥ、ＩＬＳ、ＴＡＣＡＮ、およびＬＯＲＡＮ−Ｃを含む。
【０００５】
現在、航空機はＧＰＳを補助手段ナビゲーションのためにしか使用できない。伝統的なナビゲーション支援装置は通常運行には十分であり、商業を混乱させるよう、そそのかされた妨害者に対抗するのに十分な出力レベルを有する。したがって、ＧＰＳの信号脆弱性のため、衛星ナビゲーションの著しい性能およびコスト利点を利用する動機はほとんどない。ＦＡＡの広域補強システム（Wide Area Augmentation System：ＷＡＡＳ）および狭域補強システム（Local Area Augmentation System：ＬＡＡＳ）は、低コストの航空機の着陸能力を、以前はそれが全く利用できなかった国中の何千もの空港にもたらす可能性を提供する。今日、米国は、２つの民間の生命安全ナビゲーションシステム、すなわち、従来の地上ベースのシステムと、より新しくより有能な衛星ベースのシステムとのために資金を提供している。
【０００６】
電波妨害と格闘するために、多数の先行技術が利用可能である。これらの方法は（ｉ）
特殊な衛星設計と（ii）受信機設計とに焦点を当てている。衛星では、たとえば、地上への生の出力のブロードキャストを単純に増加させることは常時可能である。しかしながら、生の出力についての代償があり、追加出力の各ワットに比例して衛星ペイロードおよび打上げコストがそれに応じて増えるため、ブロードキャスト出力の著しい増加は急速に高価になる。別のアプローチは、付加的な処理ゲインを可能にし得るより幅広い帯域幅のブロードキャストを使用することである。ここでも支払うべき代償があり、有限のスペクトルを多数の目的のために効率的に使用することは著しく全世界的調整を必要とする。ＧＰＳはそれに割当てられた特定のブロードキャストスペクトルを有しており、近い将来におけるいかなるときも、何らかの新しいスペクトルが割当てられることは起こりそうもない。
【０００７】
電波妨害の問題への受信機のアプローチは一般に（ｉ）アンテナパターン成形、（ii）信号削除、および（iii）平均化という３つの種類に分けられる。アンテナパターン成形は、制御放射パターンアンテナ（Controlled Radiation Pattern Antenna：ＣＲＰＡ）と呼ばれるアンテナの多要素アダプティブアレイを使用して、ビームを直接衛星に電子的に向け、それにより妨害器を排除する。ＣＲＰＡはまた、推定される妨害器方向にヌル（null）を向けることもできる。ＣＲＰＡはたいていの状況でかなり効果的であり得るが、それらは一般に高価でかつ嵩高い。それらはまた、妨害器の見通し線がたまたま衛星とほぼ一致する場合、または、さらに悪いことに、いくつかの分散された妨害器が使用される場合に、効果が下がるという欠点を有する。この場合、物理法則は、所与のＣＲＰＡ設計のための１組の妨害器に適用可能なビームおよびヌルの数および質に数学的制約を置く。
【０００８】
削除（excision）とは、ＧＰＳ受信機において実行される広帯域のプリ相関信号処理を指す。ＧＰＳの信号特性は周知であるため、電波妨害によるいかなる余剰出力も、受信機によってリアルタイムで直接観測可能であり、ノッチフィルタ、パルス消去、または任意の数の他のより精巧な技術を介して削除可能である。削除は効果的でかつ安価な信号処理ステップであり、一般に優れた実践の問題として実行されるべきである。しかしながら、それ自体としては、干渉または電波妨害の影響を全て排除するには不十分である。たとえば、妨害するものが広帯域ノイズである場合、受信機は電波妨害の存在を検出するが、その性質の演繹的知識がなければ、それのいずれかの部分を選択的に除去するように削除を適用できないであろう。時空間適応処理（Space Time Adaptive Processing：ＳＴＡＰ）および空間周波数適応処理（Space Frequency Adaptive Processing：ＳＦＡＰ）として公知の現在の信号処理技術は、ＣＲＰＡおよび削除を１つの処理段階に組合せている。
【０００９】
平均化技術は、受信機のプリ検出間隔（pre-detection interval：ＰＤＩ）中にできるだけ多くの電波妨害をフィルタで取除くことを目的としている。平均化の最も基本的な形は、受信機のプリ検出帯域幅（通常５０Ｈｚ）に対するプリ相関帯域幅（２０．４６ＭＨｚ）の比率によって提供される処理ゲインである。Ｐ（Ｙ）コードの受信機については、平均化は、基本レベルの５６ｄＢの電波妨害耐性を、ここでは非常に低いダイナミクスに対してのみ提供する。このレベルの保護を改良しようとする試みは、実用的な実現を妨げるいくつかの障壁に伝統的に遭遇してきた。第１の障壁は、ＧＰＳ搬送波上に重畳された５０ｂｐｓのデータ変調から生じる。この変調はＰＤＩを２０ｍｓに効果的に制限する。
【００１０】
データストリッピングは、２０ｍｓというＰＤＩ制限を回避しようとするために使用される一方法である。ＧＰＳブロードキャストメッセージはまれに、または予測可能な方法で変わるため、予め記録されたフレームを適用してデータ変調の多くを除去することがしばしば可能である。残念ながら、軍事用途または生命安全用途については、この方法は常時頼りにはできない。なぜなら、予め記録されたデータメッセージは実際のブロードキャストメッセージを常時トラッキングしているわけではないためである。２つのデータストリーム間の一貫性は、新しい天体暦のアップロード、誤操作、およびシステム故障を含む
任意の数の要因によって狂う場合がある。どのような非一貫性もフェイルソフトに寄与しない。データストリッピングアプローチの主要な改良点は、地球低軌道（Law Earth Orbiting：ＬＥＯ）衛星がどのようにして、動作の隙間をなくすようにＧＰＳデータビットの全地球フィードフォワードを提供できるか、を教示している。たとえば、２００４年６月２２日出願の「ＧＰＳ性能向上のためのリアルタイムデータ支援」（Real Time Data Aiding for Enhanced GPS Performance）と題された米国特許出願連続番号第１０／８７３，５８１号を参照されたい。
【００１１】
残念ながら、データがＧＰＳ搬送波から除去されるか否かに関わらず、プリ検出帯域幅を狭くするよう試みること、または低信号レベル測定値を使用することに、著しい障害が残っている。ＧＰＳ信号は、ＰＲＮコード変調および搬送波周波数を含む多数の成分から作られる。干渉または電波妨害がない場合、受信機は通常、コードおよび搬送波の双方をトラッキングする。電波妨害が発生すると、たいていの軍事用受信機は搬送波トラッキングを止めてコードのみをトラッキングする形に戻り、生の２０ｍｓのプリ検出サンプル同士はドット積判別器の変形を用いてともに乗算される。ドット積判別器は一般に、二乗タイプの判別器の最も効果的なもののうちの１つと考えられている。これらのサンプルは、コードトラッキング誤差を解決するために、或る拡張された間隔−ときには数１０秒−にわたってともに平均化される。ドット積タイプのコードトラッキングの一般的に適用される利点は、それが搬送波トラッキングのみの場合よりも幾分高い電波妨害抵抗を有することである。この発想は、慣性ナビゲーションシステム（Inertial Navigation System：ＩＮＳ）を用いてユーザダイナミクスを減算し、それにより、ノイズのある後検出サンプルが長い間隔にわたって平均化されるようにすることである。コードベースの電波妨害防止トラッキングの最も統合されたバージョンは、「超密結合」（Ultra-Tight Coupling：ＵＴＣ）と呼ばれる。
【００１２】
残念ながら、超密結合された慣性は或るレベルの保護までしか効果的ではなかった。そのようなシステムの物理学は、それらが著しい電波妨害に耐える能力を急速に制限する。第１に、判別器から生じる二乗損失により、長い積分時間が必要とされる。積分時間はＪ／Ｓの二乗に比例する。これは、電波妨害出力が２倍になるたびに、必要とされる積分間隔は４倍となる必要があることを意味する。第２に、慣性機器は時間とともに成長する誤差を呈示する。いくつかの慣性機器はより良好な性能を増加したコストで提供できるが、慣性がＧＰＳからの更新なしでプラットフォームダイナミクスをどのぐらい長く除去できるかについては、実用的な物理的制限がある。この制限は通常、慣性ノイズがコードチップの大部分に達するのにかかる時間、通常約５ｍまでに設定される。所与の品質の慣性については、ＧＰＳコード変調への依存は、積分中に測距誤差がしきい値を上回る或る電波妨害レベルを生み出し、システムはもはや有用ではない。
【００１３】
ＧＰＳデータ変調が搬送波から信頼できる方法で除去可能であると仮定して、搬送波のコヒーレントなトラッキングが時折考慮されてきたが、電波妨害耐性の増加に対する選択肢としては即座に却下されてきた。そのようなアプローチは伝統的に非実用的であるとみなされてきた。なぜなら、受信機が持続した期間にわたって３０ピコ秒（光が１ｃｍ進行するのにかかる時間量）未満という安定性まで搬送波を積分しなければならないためである。この課題は、この必要な安定性を２０ｍｓよりもずっと長い間隔にわたって維持することである。典型的な低コストの温度補償型水晶発振器（Temperature Compensated quartz Crystal Oscillator：ＴＣＸＯ）は、今日の大半のＧＰＳ受信機の基盤である。部品コストは一般に１０ドルから２０ドルの範囲である。ＴＣＸＯを用いると、プリ検出間隔は１秒の大半までは安全に拡張され得る。これを超えると、ＴＣＸＯは十分に安定しない。
【００１４】
ルビジウムまたはセシウムの周波数標準に基づいた恒温槽付水晶または原子時計といっ
た他のより安定した一般的でないクロックが候補に挙がっているが、これらの非常に安定したクロックでさえ、それらを実用的にしない実用上の問題を有する。３０ｄＢの追加のＧＰＳ電波妨害の保護のために、ユーザは近傍の２０秒にわたって積分する必要がある。このレベルでは、多くの原子時計でさえ、必要とされる安定性を提供できない。振動、大きさおよびコストが法外になり得る。前途有望な新しいチップスケール原子時計（Chip Scale Atomic Clock：ＣＳＯＣ）アプローチは、今から数年後にコスト、サイズ、重量および出力を減少させる可能性を提供するが、最も楽観的な性能予測でさえ、必要な位相安定性を必要な間隔にわたって産出する十分な周波数安定性を達成しない。恒温槽付水晶発振器（Oven-Controlled Crystal Oscillator：ＯＣＸＯ）の中には、必要な位相安定性を必要な間隔にわたって有するものがある。しかしながら、ＯＣＸＯは通常嵩高く、高価で、かつ電力を消費する。そのような高度に安定したクロックに依存するソリューションは、コスト、サイズ、重量および消費電力を精密な温度制御と関連付けなければ容易には手が届かないものである。構成要素性能感度を重視するそのようなソリューションは、著しい技術的課題である。出力、振動およびコストは主な障害となる。必要とされるのは、標準の低コストＴＣＸＯを用いて著しく向上した性能を提供することができるソリューションである。
【００１５】
軍事部門、民間部門および商業部門は各々、電波妨害に対するそれら自体の問題および課題を有する。軍は、一般にコストの制約をそれほど受けず、より進歩した技術へのアクセスを有するため、電波妨害と格闘するのにおそらく最も準備ができているであろう。残念ながら、比較的低出力の妨害器でさえ、妨害器の見通し線内にあるユーザ機器を停止させることができる。ユーザ機器には、幅広いスペクトルの電波妨害防止能力が、しばしばＣＲＰＡおよび超密慣性結合を含む技術の組合せとして採用されている。軍はまた、信号出力を約２０ｄＢ高めるように意図された新しいより高出力のＭコード信号を実現するよう提案している。大口径スポットビームアンテナは、地球の特定の領域上により狭いビームを集束させてそこにより多くの信号出力を集中させるであろう。しかしながら、そのような高出力システムを採用するコストが目標ではない場合でさえ、そのようなシステムが使用可能になるまでには依然として何年もかかる。必要とされるのは、低コストで直ちに利用可能なナビゲーションソリューションである。
【００１６】
これらの軍事用ソリューションは、全体として見ると、近い将来に予測される多くの電波妨害の脅威に対して妥当な保護を提供するように思われる。しかしながら、これらのソリューションも、特に多数の低出力の分散された妨害器について前述したような将来の電波妨害シナリオの下では不十分かもしれない。おそらく最も重要なことは、上述の１組の現在のソリューションはすべて高くつく傾向がある、ということである。
【００１７】
民間の脆弱性は重要な課題である。前述のように、ＧＰＳは、第２の民間周波数を加えることで意図的でない干渉に対抗する手段を既に有している。多くの動作のためにたった１つの周波数が必要とされるため、意図的でない干渉によって一方の周波数がダウンすると、他方は、使用できる高い可能性を設定する。意図的でない干渉の場合でも、または意図的な干渉の場合でも、最後の手段として、航空機は代わりの空港に行き先を変更することができる。
【００１８】
意図的な電波妨害の問題ははるかに深刻である。ここでも、目的は、商業の日常的な流れを邪魔する妨害者、すなわち空の旅を混乱させる組織的手段を拒絶することである。民間航空会社の商業的性格は、意図的な電波妨害の問題に対するどのソリューションもコスト効率がいいことを必要とする。軍から適応された高価なユーザ機器、たとえばＣＲＰＡアンテナを民間航空機に設置することは、否定的に見られてきた。今までのところ、唯一実行可能なソリューションは、より高出力で動作するＶＯＲ、ＤＭＥおよびＩＬＳといった稼動中の既存のナビゲーション支援装置を維持することであった。既存の地上支援装置
も動作しているので、ＷＡＡＳといった衛星ソリューションが付加価値を航空機ユーザに提供しないため、航空会社が衛星ナビゲーションに移行する動機はほとんどない。
【００１９】
商用ユーザも電波妨害のない信号に関係がある。インターネット、電力網、携帯電話ネットワークの時間計測、および金融取引の時間計測を含む社会でのさまざまな商業機能のためにＧＰＳにますます依存することに加え、超広帯域（Ultra-Wide Band：ＵＷＢ）技術から生じ得る、ＧＰＳ信号強度への潜在的な規制上の脅威も存在する。ＵＷＢは将来かなり有望である一方、ＧＰＳ帯域が規制上の観点から慎重に保護されなければ、干渉のはっきりとした可能性がある。規制は時折、十分な釣合いに到達するまでに時間を要する場合があることを仮定すると、ＵＷＢ装置との共存へのこの重大な移行中にユーザが重大なＧＰＳベースのインフラストラクチャにおける投資を保護できるようにする経済的な技術的「セーフティネット」へのアクセスを有することが望ましい。
【００２０】
要約すると、電波妨害耐性を提供するための既存のシステムおよび方法は不十分である。必要とされるのは、干渉および／または電波妨害の存在下でナビゲーションのための高い正確度および完全性を提供し、それにより、近い将来における、軍事用途、民間用途、および商業用途を含むさまざまなＧＰＳおよび衛星ナビゲーション用途のための重要でかつ効果的な電波妨害防止保護を確実にするナビゲーションシステムである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
簡単な概要
この発明に従ったシステムおよび方法は一般に、１つ以上のＧＰＳ衛星と組合せた地上基準局および地球低軌道（ＬＥＯ）衛星のネットワークを採用する。ＧＰＳ衛星への第１の共通視野測距ジオメトリが、基準局とユーザとをリンクするために設定される。同じ基準局とユーザとの間のＬＥＯ衛星への第２の共通視野ジオメトリも設定される。地上局は、ＧＰＳおよびＬＥＯ衛星の信号の搬送波位相測定を行なうことにより、リアルタイムの支援信号を合成する。この支援情報はＬＥＯ衛星を介して、周囲の電波妨害を貫通するように高出力でユーザ受信機に送信される。ユーザ受信機は、ＬＥＯ衛星の搬送波位相を追尾し、支援情報を復調して、次に、ＧＰＳ信号の拡張されたコヒーレントな測定を可能にするように搬送波位相測定値および支援情報を適用する。このシステムはそれにより、電波妨害で失われたであろうＧＰＳ信号を復元させる。このように、この発明は、電波妨害耐性における著しい改良を、通常のＧＰＳ受信機のものに匹敵するコスト、サイズ、重量および出力で提供する。
【００２２】
この発明の一実施例によれば、ナビゲーションシステムは、基準受信機と、ユーザ受信機と、基準受信機およびユーザ受信機の共通視野にある全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星とを含み、前記基準受信機および前記ユーザ受信機はＧＰＳ衛星から搬送波測距信号を受信し、前記ナビゲーションシステムはさらに、基準受信機およびユーザ受信機の共通視野にある第１の地球低軌道（ＬＥＯ）衛星を含み、基準受信機およびユーザ受信機は、第１のＬＥＯ衛星からのＬＥＯ搬送波測距信号のそれぞれの第１および第２の測定値を計算するよう構成されており、ユーザ受信機は、ＬＥＯ衛星を介して基準受信機から第１の測定値を受信し、第１および第２の測定値を適用して、ユーザ受信機によって受信されたＧＰＳ搬送波測距信号の信号位相の演繹的推定値を構築するよう構成されており、演繹的推定値は、ユーザ受信機での搬送波測距信号の拡張積分の基礎として使用される。
【００２３】
以下にこの発明を以下の図面とともに説明する。図中、同様の番号は同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
詳細な説明
以下の詳細な説明は本質的に単なる例示であり、この発明、またはこの発明の用途および使用を限定するよう意図されてはいない。さらに、前述の技術分野、背景、簡単な概要、または以下の詳細な説明に提示される明示または暗示された理論によって束縛される意図はない。
【００２５】
この発明は、機能および／または論理ブロック構成要素ならびにさまざまな処理ステップについて、ここに説明され得る。そのようなブロック構成要素は、特定の機能を行なうよう構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェア構成要素によって実現され得ることが理解されるはずである。たとえば、この発明の一実施例は、１つ以上のマイクロプロセッサまたは他の制御装置の制御下でさまざまな機能を実行し得るさまざまな集積回路構成要素、たとえばメモリ素子、アンテナ、デジタル信号処理要素、論理素子、ルックアップテーブルなどを採用してもよい。加えて、当業者であれば、この発明が任意の数のデータ伝送プロトコルとともに実践され得ること、およびここに説明されるシステムがこの発明のための単なる例示的な一用途であることを理解するであろう。
【００２６】
簡潔にするため、信号処理、データ伝送、信号伝達、全地球測位システム、衛星、ネットワーク制御、およびシステム（ならびにシステムの個々の動作構成要素）の他のそのような機能的局面に関する従来の技術は、ここには詳細には説明されない場合がある。さらに、ここに含まれるさまざまな図に示す接続線は、さまざまな要素間の例示的な機能的関係および／または物理的結合を表わすよう意図されている。なお、実際の一実施例では多くの代替的なまたは付加的な機能的関係もしくは物理的接続が存在し得ることに留意されたい。
【００２７】
図１は、この発明の一実施例に従ったユーザ受信機構成要素の一般的な全体図であり、図２は、この発明の動作を例示するために有用なナビゲーションシステム２００の全体図である。図２に示すように、ユーザ２０２は、電波妨害および／または干渉を受ける環境２０４内にある間に、１つ以上のＧＰＳ衛星２０６を利用しようと試みる。先行技術のシステムでは、環境２０４内における電波妨害の存在は、ＧＰＳ衛星２０６の使用を制限し、または妨げさえする。しかしながら、この発明によれば、支援情報２２０、２２４が地球低軌道（ＬＥＯ）衛星２２２を介してユーザ２０２に伝達され、それがＧＰＳ信号２０８を復元させるのを支援する。
【００２８】
１つ以上の基準局２１０は、それらがＧＰＳ衛星２０６への明らかな見通し線を有し、かつ（環境２０４内で起こっているいかなる干渉または電波妨害をも含む）干渉または電波妨害を受けないように、電波妨害区域の外側に位置し、立地している。基準受信機２１０からの支援情報２２０は、１つ以上の地球低軌道（ＬＥＯ）衛星２２２にアップリンクされる。ＬＥＯ衛星信号２２４は好ましくは、それがユーザ２０２によって受信されるように、環境２０４内の電波妨害出力に打ち勝つ十分に高い出力でブロードキャストされる。ＬＥＯ衛星２２２によってリレーされた支援情報２２０、２２４は、図１に示すようなユーザ受信機１００によって受信され、次に、特別に設計されたユーザ受信機１００が電波妨害または干渉にも関わらず使用可能なＧＰＳ信号を復元できるようにＧＰＳ信号に適用される。
【００２９】
図１のユーザ受信機１００は、支援情報が相関器にリアルタイムで、たとえばセンチメートルレベルの精度といった高い精度で達することができるように、リアルタイムのストリーミングデータフローをトラッキングチャネル全体にわたって提供する。このセンチメートルレベルの測位および時間計測能力により、受信機は、拡張された期間、ＧＰＳ信号をコヒーレントにトラッキングできる。
【００３０】
伝統的な電波妨害防止方法とは異なり、この発明は、ＰＲＮコードよりもむしろＧＰＳ正弦波搬送波信号成分に重きをおいている。この方法は、民間のＣ／Ａコードが採用されているか、軍事用のＰ（Ｙ）コードまたはＭコードが採用されているかどうかにはとらわれない。これらのコードは、衛星信号を区別するために、また、動作を初期化するために使用される。それ以外では、正弦波搬送波は基本特性を提供し、（ｉ）二乗損失を排除することによる非常に改良された電波妨害防止性能、および（ii）電波妨害の最中の精密な測距を可能とすることによる非常に改良された正確度の双方を生み出す。
【００３１】
この発明の好ましい一実施例によれば、システムの任意の部分での故障が動作を不利に妨げないように、冗長性が、少なくとも２つの基準局および２つのＬＥＯ衛星の形で取り入れられている。より特定的には、図３を参照すると、この発明の二重ストリングバージョン３００は、１対のＬＥＯ衛星２２２（ａ）および２２２（ｂ）と基準局２１０（ａ）および２１０（ｂ）とを採用して、ユーザ２０２の視野内のＧＰＳ衛星２０６について基準情報が常に利用可能であることを確実にしている。
【００３２】
ＬＥＯ衛星２２２はどのような地球低軌道衛星でもよい。好ましい一実施例では、このシステムは、ユーザ２０２の頭上に少なくとも１つの衛星がほぼ常時あるように、ＬＥＯ衛星２２２の群を含む。この発明に好適なＬＥＯ群は、たとえば、イリジウム（Iridium）およびグローバルスター（Globalstar）によって提供されるものを含む。これらのＬＥＯはともに電話通信を中心として設計されており、電話通信用の平均データ速度は公称５０ｂｐｓであるＧＰＳデータ速度よりも約１００倍速いために、余剰分は追加のブロードキャスト出力に変換可能である。言い換えると、ＬＥＯ衛星２２２のビットレートがＧＰＳのそれと匹敵するようにされた場合には、ＬＥＯブロードキャストはＧＰＳブロードキャストよりも２０ｄＢ強力となるであろう。多数の通話に対応して多数のダウンリンクがスイッチオンされた場合、出力はさらにより一層増加し得る。たとえば、１０回の通話に相当するものがダウンリンクに割当てられた場合には、支援信号２２４はＧＰＳよりも約３０ｄＢ強力であろう。その結果は、３０ｄＢ大きい電波妨害耐性を提供する支援信号となる。
【００３３】
ＧＰＳは、２つの帯域、すなわち１，５７５．４２±１２ＭＨｚのＬ１と、１，２２７．６０４±１２ＭＨｚのＬ２とでブロードキャストする。イリジウムは１，６１６．０〜１，６２６．５ＭＨｚの帯域でブロードキャストし、一方、グローバルスターは２，４８３．５〜２，５００．０ＭＨｚの帯域でブロードキャストする。ＧＰＳおよびＬＥＯ衛星の双方から受信可能な受信機は、ｉＧＰＳとして公知の、高性能精密測位、時間計測および通信システムを提供する。ｉＧＰＳ電波妨害防止システムは、いずれかのＧＰＳ周波数または双方で動作可能である。
【００３４】
好ましい一実施例では、同様の電波妨害防止ｉＧＰＳ受信機が、基準局２１０およびユーザサイト２０２の双方で使用される。ソフトウェア受信機アーキテクチャに基づいた例示的な受信機４００を図４に示す。チップあたり、単位コストあたりのコンピュータ処理能力の増加、および高速低出力ＳｉＧｅ  ＲＦ設計といった新しい半導体技術により、ソフトウェア受信機は構築がより容易になっている。その結果は、より低いコスト、より速い開発時間、より低いサイズ、重量および出力、そしてとりわけ、コンポーネント同士をより大きなシステムへと統合する並外れた柔軟性である。この発明のいくつかの特化された適応例では、ソフトウェア受信機技術が十分ではない場合があること、および、いくつかの他の基準を中心として最適化された設計が必要とされる場合があることが認識されるべきである。
【００３５】
引続き図４を参照すると、受信機４００は、衛星信号４０１を受信するために使用される多周波数アンテナ４０２を含む。アンテナ４０２は、１つ以上のプリ選択フィルタ４０
４、増幅器４０６、およびＡ／Ｄ変換器４０８に結合されている。合成器４１３は、温度制御型水晶発振器（ＴＣＸＯ）４１０から信号を受信し、図示されているようにコンピュータ４１４、慣性４１２、およびＡ／Ｄ変換器４０８に結合されている。コンピュータ４１４は、慣性４１２から生の測定値を受信し、また、合成器４１３およびＡ／Ｄ変換器４０８から入力を受信して、位置、高度および時刻の出力（４２０）を生成する。Ａ／Ｄ変換器４０８のサンプリングレートは好ましくは、以下の刊行物、すなわちマーク  Ｌ．サイアキ（Mark L. Psiaki）、スティーブン  Ｐ．パウエル（Steven P. Powell）、ヒー  ジュン（Hee Jung）、およびポール  Ｍ．キントナー、ジュニア（Paul M. Kintner, Jr.）、「直接ＲＦサンプリングを用いた多周波数ＲＦフロントエンドの設計および実用的実現」（Design and Practical Implementation of Multi-Frequency RF Front Ends Using
Direct RF Sampling）、ＩＯＮ−ＧＮＳＳ、ロングビーチ（Long Beach）、２００４年９月に記載された方法を用いて選択される。このように、このシステムは当該帯域すべてをベースバンド化するようダウンコンバートする。
【００３６】
サンプリングレートの正しい選択は、ゼロからサンプリング周波数の半分というナイキスト範囲にわたる受入れ可能なスペクトル分離を確実にする。民間航空機に採用されているもののような好ましい実施例では、アンテナ４０２は固定放射パターンアンテナ（fixed radiation pattern antenna：ＦＲＰＡ）であり、それにより、制御放射パターンアンテナ（ＣＲＰＡ）のコスト、大きさおよび複雑性を回避する。軍事用途については−特に軍事用プラットフォーム上での使用については−アンテナ４０２はＣＲＰＡであることがより望ましい。
【００３７】
ＣＲＰＡを実現する方法は２つある。第１の方法は、図５に示すような統合されたアプローチである。一般に、受信機４００のフロントエンド上のアンテナポート４０１の数は、ＣＲＰＡアンテナ要素の所望の数まで拡張される。複数のそれぞれのＡ／Ｄ変換器４０８、インバータ４０６、およびフィルタ４０４がアンテナ４０１に結合される。次に、ＳＴＡＰ／ＳＦＡＰ処理５０２が、図に示すように、コンピュータ（またはＤＳＰ）５０４の内部のソフトウェアにおいて実行される。
【００３８】
第２のアプローチは、アンテナアレイとｉＧＰＳ受信機との間のラインにマルチビームステアリングアンテナ電子回路（Multi-Beam Steering Antenna Electronics：ＭＢＳ  ＡＥ）パッケージを含めることである。そのような実施例を図６に示す。このパッケージは、ＬＥＯ信号およびＧＰＳ信号を用いてＳＴＡＰ／ＳＦＡＰ処理５０２を繰り返すように若干修正されている。この点で、イリジウムの帯域はＧＰＳのＬ１帯域に非常に近接して位置している。
【００３９】
電波妨害防止ｉＧＰＳソフトウェア受信機の内部で、ＧＰＳ帯域の各々（Ｌ１および／またはＬ２）ならびにＬＥＯ信号（たとえばイリジウムまたはグローバルスター）について、プリ選択フィルタ４０４を用いて処理が始まる。ソフトウェア受信機４００は直接ダウンコンバージョンを採用するよう設計可能であるため、これらのフィルタは鋭いカットオフを有することが望ましい。必要とされる電気コンポーネントの一例は、特化されたＩＢＭ  ＲＦチップＩＢＭ４３ＧＡＥＮＧＰ０００１である。この受信機は、バンドパス、自動ゲイン制御（ＡＧＣ）、および直接ＲＦサンプリング機能を実行する集積ＳｉＧｅチップを含む。
【００４０】
好ましい一実施例では、受信機設計は、異なる帯域からの測定が同じ時間基準に対して同じ時期に行なわれることを確実にする。信号が一旦デジタルに変換されると、アーキテクチャは、周波数間および衛星間のチャネル間バイアスを導入できない。安定したチャネル間バイアスのこの属性は、高品質のコヒーレントな測定を行なう上で非常に有用であり、電波妨害防止性能にとって重要である。ある特定の用途のための空間に妥協した設計が
直接ダウンコンバージョンの使用を妨げる場合、安定したバイアスを達成するために慎重な検討が適用される限り、従来のダウンコンバージョンを用いた他のアプローチが明らかであろう。
【００４１】
図４を参照すると、Ａ／Ｄ４０８内のＡ／Ｄ変換器のビット数は、設計選択の問題である。非ガウス電波妨害に対処し、ＳＴＡＰ／ＳＦＡＰ機能による前処理を可能とするには、より多くのビットが必要となり得る。
【００４２】
この発明の一局面によれば、単純で低コストのＴＣＸＯ周波数基準４１０が採用されてもよい。原子発振器または恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）といった一般的でないクロックは必要ない。そのようなＴＣＸＯは通常、かなり頑丈で、著しい振動および熱変動に耐えることができ、それでいて比較的安価（すなわち、約１０ドルまたは２０ドル）である。この発明の中心的な属性は、このシステムおよび方法全体が、受信機クロックにおける欠点をあまり感じないようにする。
【００４３】
受信機が高ダイナミック用途に使用される場合、それは好ましくはある種の慣性基準４１２を採用する。高性能ナビゲーショングレードの慣性装置から戦術用グレードの慣性システムにわたるどのタイプの慣性装置４１２も、この発明と両立可能である。好ましい実施例では、チップスケール慣性装置が使用される。現在のチップスケール慣性は微小電気機械システム（Micro-Electromechanical System：ＭＥＭＳ）装置を含み、それは通常、最も低いコスト、サイズ、重量および出力プロファイルを提供する。ＭＥＭＳ  ＩＮＳの一例はハネウェル（Honeywell）ＨＧ−１９３０である。チップスケールＭＥＭＳジャイロの一例はシストロン・ドナー（Systron Donner）ＭＥＭＳジャイロＬＣＧ５０である。ＭＥＭＳ加速度計の一例はキオニックス（Kionix）３軸ＭＥＭＳ加速度計ＫＸＭ５２−１０５０である。
【００４４】
好ましい一実施例では、ｉＧＰＳ受信機４００全体は、図７に示すようなチップレベルで設計される。つまり、受信機カード７０２は、３軸チップスケール加速度計７０４と、３軸チップスケールジャイロスコープ７０６と、さまざまな他の構成要素、たとえば、図４−６で説明されたようなプリ選択フィルタ、プリアンプ、１つ以上のＡ／Ｄ変換器、ＴＣＸＯ、合成器、およびＦＰＧＡ／コンピュータなどを含む。これらの構成要素は、公知の技術に従って、かつ任意の好適な態様で基板７０２上に分散され得る。
【００４５】
以下の説明に示す別の主要な論拠は、ＭＥＭＳ技術が低ランダムノイズ−この発明に関する最大の誤差の源−を提供するようにも設計され得ることである。ｉＧＰＳはバイアスをリアルタイムで推定するため、主要な残りの性能パラメータは、ランダム誤差、すなわちＭＥＭＳ装置が秀でる傾向があるパラメータであり、最新の慣性グレードＩＭＵのものさえ上回る可能性もある。チップスケール技術における潜在的な将来の改良も存在する。慣性装置のためのチップスケールで室温のボーズ・アインシュタイン凝縮体の研究開発は著しい見込みを保っている。たとえば、ジェイコブ  レイシェル（Jakob Reichel）、「原子チップ」（Atom Chips）、サイエンティフィック・アメリカン（Scientific American）、２００５年２月、第４６頁を参照されたい。
【００４６】
例示的な一実施例のさまざまな構成要素の概要をこれまで述べてきたが、この発明の基本的な機能をこれから述べる。第１に、コヒーレントな検出のための拡張されたドウェル（dwell）信号処理技術を説明する。これは高い電波妨害防止（ＡＪ：anti-jam）性能を達成するための基盤である。次に、高いＡＪ性能を達成するために使用されるシステムレベルのナビゲーション処理を説明する。最後に、この発明の好ましい一実施例を詳細に説明し、実用的な動作のための一般的なシステムおよび方法を提供する。
【００４７】
拡張されたドウェル信号処理
好ましい一実施例では、電波妨害防止性能は、（ｉ）データストリッピング、（ii）時間同期、および（iii）コヒーレントな平均化という３つの基本ステップで達成される。図８は、処理シーケンスの第１のステップを示す。重度の干渉の区域２０４でたまたま運行中のユーザ２０２のために、搬送波上で変調されたＧＰＳデータを除去することが望ましい。電波妨害または干渉をたまたま受けていない、ＧＰＳ衛星２０６の共通視野にある基準局２１０は、その衛星のために５０ｂｐｓのＧＰＳデータストリームの明らかな推定値を得ることができる。ＬＥＯデータリンク２２０、２２４は、データリンクを通してデータをユーザ２０２にリアルタイム、高出力でテレメータ送信するために使用される。ユーザ２０２は次に、それ自体が受信したＧＰＳ信号２０８を、ＧＰＳを介して基準局２１０から受信したデータストリーム２２４と時系列に整列する。これらを混ぜ合わせることにより、５０ｂｐｓの変調は信号から完全に取り除かれる。
【００４８】
第２のステップは、ユーザクロックを公知の基準と同期させることである。典型的な水晶発振器は約１秒以上の期間にわたって多くのＧＰＳ  Ｌ１の波長（１９cm）だけドリフトするため、そのような期間にわたってＧＰＳ信号のコヒーレント積分を実行することはできない。クロック同期化は、ＬＥＯ衛星２２２を用いて基準局２１０の公知の源からユーザ２０２に時刻を転送することによって実行される。
【００４９】
基準局２１０は、それが時刻の正確な源を保持するＧＰＳ衛星２０６の視野内にあるため、ＧＰＳ時刻に何らかのアクセスを有する。ＧＰＳ衛星は原子時計−通常セシウム時計−を保持しているため、信号は、必要とされる２０秒の平均化間隔にわたって１０−12よりも良好に安定してとどまる可能性が高い。しかしながら、ＧＰＳから直接来るＧＰＳ時刻の測定に頼ることは依然として、クロック、天体暦、および環境からの誤差を含む誤差を受ける。好ましい実施例では、ユーザの位置決定に取り入れられるＧＰＳ衛星は、基準とユーザ受信機との間の共通視野として扱われる。ＧＰＳ時刻は次に、この差動モードにおいて消える。
【００５０】
ユーザ２０２での（すなわちユーザ受信機での）精密な時刻はまず、基準局２１０とユーザ２０２との間でＬＥＯ衛星２２２の共通モード測距を実行することによって得られる。ユーザ衛星からの搬送波測距方程式は、以下のとおりである。
【００５１】
【数１】
0005627853.tif 000002
【００５２】
式中、ρは衛星までの推定距離であり、δρは推定距離の誤差であり、τsは衛星クロックオフセットであり、τrは受信機クロックオフセットであり、ｂ0は（整数および実数値の曖昧成分およびすべてのハードウェア遅延を含む）集合体測距バイアスであり、ρt、ρi、およびρmは、対流圏、電離圏、および多重通路による誤差をそれぞれ示す。誤差εは受信機ノイズからの寄与である。
【００５３】
これらのパラメータの多くは事前に（すなわち演繹的に）公知であるかまたは部分的に公知である。さらに、パラメータの多くは、それらが２０秒の間隔にわたって１センチメートルを上回って変化する可能性がないよう制限され得るということが、確実に仮定できる。センチメートルレベルの計量は、ＧＰＳ搬送波位相を扱う際の３０ピコ秒の時間基準と相互交換可能に用いられる。なぜなら、３０ピコ秒は、光が１センチメートルを進行するのにかかる時間量であるためである。基準局の場所はセンチメートルレベルの正確度で分かると仮定される。以下の微分のために、ＬＥＯ衛星位置およびユーザ位置の双方が１０ｃｍ以内の誤差で初期化されると仮定される。しかしながら、この条件が数１０ｍ以上
までかなり緩和され得ることが、後に示されるであろう。
【００５４】
ユーザ慣性からの相対支援情報を用いて、ユーザ位置を相対的な意味において２０秒の間隔にわたって１センチメートルよりも良好にトラッキングすることが可能である。したがって、ＬＥＯ衛星までのユーザ距離測定値と基準局測定値との差を算出することによって得られる相対的な正確度は、以下の式をもたらす。
【００５５】
【数２】
0005627853.tif 000003
【００５６】
上付添字は送信機を示す。下付添字は受信機を示す。とりわけ、ユーザが上述の差を形成する場合、宇宙船クロックは完全に相殺される。さしあたり、ほぼ完璧な天体暦を仮定する。これは以下に再度取り上げる。
【００５７】
たった１つの差として残ることは、その変形が２０秒の間隔にわたってほぼ１センチメートル未満に制限されるバイアス項である。図９に示すように、基準局２１０はそれ自体の不完全な時間計測を有する。つまり、基準局２１０はＬＥＯ衛星２２２の信号搬送波位相を測定する。それは次に、この測定データをＬＥＯ衛星データリンク２２０、２２４を介してユーザ２０２に送信する。ユーザ機器もＬＥＯ衛星の信号搬送波位相の測定を行なう。上述の関係により、Δφという差がユーザ機器によって形成され、基準とユーザクロックとの間に厳密なオフセットを提供し得る。実際、ユーザ受信機は、ユーザ受信機クロックにΔφを加えることにより、基準局クロックを仮想的に再構成する。
【００５８】
この展開のいくつかの局面は注目に値する。第１に、原子時計を保持していないＬＥＯ衛星を用いて、２０秒にわたり１０-12よりも良好に精密な時刻が転送されてきた。イリジウムおよびグローバルスターは、宇宙環境に適した水晶発振器しか保持していないが、衛星クロック項は各時期において厳密に消えるため、このレベルの時刻転送が可能である。第２に、深刻な電波妨害の存在にも関わらず、ユーザ２０２は精密なレベルの時刻情報を利用可能である。これも、ＬＥＯ信号がＧＰＳのものよりもかなり強力であるために可能である。最後に、一般的でないクロックを使用しなくても、ユーザ機器は精密な時刻を利用可能である。ユーザは低コストのＴＣＸＯのみを必要とし、かなりのユーザ振動の存在下で運行可能である。
【００５９】
次のステップは、トラッキングされる各ＧＰＳ衛星のために、転送された時刻を用いて搬送波位相のフィードフォワード予測を形成することである。衛星は弱すぎてそれ自体ではトラッキングできないため、受信機は支援情報を用いて、予想される位相の１センチメートル以内でトラッキングループを予め測位しなければならない。共通視野時刻転送を用いると、基準局で測定されたＧＰＳ衛星位相とユーザにおいて測定されようとしているものとの間の関係は、以下の式によって与えられる。
【００６０】
【数３】
0005627853.tif 000004
【００６１】
式中、衛星運動のために補正される測定差は、単に基準とユーザクロックとの差に終わる。ＧＰＳ衛星クロックは、それが共通モードであるため、相殺される。
【００６２】
【数４】
0005627853.tif 000005
【００６３】
予想される搬送波位相は、ＧＰＳ衛星およびユーザ運動について補正された基準位相と、ＬＥＯ衛星リンクによって提供された時刻転送補正値との合計である。
【００６４】
この方法における第３のステップは、新しく形成された仮想の安定した時刻基準に対する入来ＧＰＳ搬送波のコヒーレントな平均化である。ＧＰＳコード、搬送波およびデータがすべて除去され、慣性ナビゲーションユニットを用いて残りの相対運動が除去されたため、ＧＰＳ搬送波上の唯一の残留変調は、ジャイロおよび加速度計のノイズならびにバイアスによるものであるはずである。
【００６５】
【数５】
0005627853.tif 000006
【００６６】
バイアス項ｂは、ある特定の２つの違いの一因となる、すべて整数でゆっくり変化する電子バイアスの集合体を表わす。電波妨害の存在下では、搬送波がどんなに弱々しいものであっても、この発明はこれらのバイアス信号を推定してこの重大情報を復元するよう効果的に機能する。信号は搬送波位相において提供されるため、それらは慣性パラメータの非常に忠実度の高いセンチメートルレベルの測定値を提供する。
【００６７】
時間ドメインでは、平均化間隔が長いほど、信号が一定のままである間に駆動される残留ノイズが低い。周波数ドメインでは、超狭帯域（準静的）同相（Ｉ）および直交（Ｑ）搬送波位相がローパスフィルタされ、ＤＣに完全に整合される。電波妨害によるノイズは、信号をゼロ周波数で通す間に除去される。このプロセスの定量的記述は、残留積分ノイズが以下のホワイトノイズ方程式によって与えられるということである。
【００６８】
【数６】
0005627853.tif 000007
【００６９】
この方法により、ＧＰＳ上で著しい電波妨害防止の改良を得ることが可能である。支援情報が電波妨害を超えてドライブできるようにするのにＬＥＯ出力が十分である場合、また、２０秒にわたって<１ｃｍのドリフトを維持可能な慣性ナビゲーションユニットをユーザが保持している場合には、ＧＰＳ信号のコヒーレント積分時間は２０ｍｓから２０ｓｅｃに拡張し、３０ｄＢの改良である。さらに、これはこの発明の困難な上限ではない。
【００７０】
システムレベルナビゲーション処理
一実施例によれば、測定値を組合せる「強力な」２つの違いの方法が使用される。このアプローチは例示的であるが、それが実際には、以下に説明する実施例と比べて或る欠点を有することが示される。この例では、相関の前に、各ＧＰＳチャネルから直接、ＬＥＯ位相測定値が減算される。各ＧＰＳチャネルは残留位相測定値を出力して、ユーザによって受信されたようなＧＰＳ衛星信号の実際の位相と予測された位相との間の２つの差（ＧＰＳマイナスＬＥＯ、ユーザマイナス基準）の残留を提供する。
【００７１】
慣性ユニットはユーザ位置をトラッキングする。しかしながら、慣性ユニットは一般に、所与の公称位置推定値ｘ0について、ローカル水平ユーザフレームにおける公称ベクトル位置誤差を累算する。位相測定値は、慣性位置誤差のＧＰＳを用いて最良のベクトル推定値δｘを見つけるために、この公称ローカル水平慣性ユーザ位置について線形化され得る。
【００７２】
【数７】
0005627853.tif 000008
【００７３】
式中、νは測定ノイズである。次に、項を定義して再編成することができる。
【００７４】
【数８】
0005627853.tif 000009
【００７５】
視野内のｎ個のＧＰＳ衛星についての差動位相測定値を積み重ねると、結果として生じる連立方程式は以下のように定義され得る。
【００７６】
【数９】
0005627853.tif 000010
【００７７】
簡単にするために、システムは、電波妨害下で動作される前に、遮るもののない空間における通常条件下で初期化され、動作していると仮定され得る。しかしながら、十分な処理出力を仮定すると、システムが電波妨害下でロックを取得することを妨げるものは何もない。
【００７８】
【数１０】
0005627853.tif 000011
【００７９】
バイアスが一定であると仮定される場合、位置誤差は、ユーザ位置誤差についての連立方程式を、コスト関数を最小限にする線形最小二乗適合法を用いて単に解くことにより、干渉および／または電波妨害の存在下で得られ得る。
【００８０】
【数１１】
0005627853.tif 000012
【００８１】
ベクトルδｘは、各ＰＤＩに続くｘ0に対する推定位置誤差である。実際には、モデルが上述の衛星測距におけるすべての誤差源を含んでいないため、単純な補正は十分ではない。しかしながら、バイアスが浮遊できるようにすることにより、衛星運動に起因する変化するジオメトリは一般に、位置およびバイアスの双方を観測できるようになる。厳密な衛星ジオメトリに依存して、バイアスは一般に観測可能であり、それによりユーザの厳密な位置を特定する。典型的には、ユーザの上方でのＬＥＯ衛星の角度の大きい運動により、位置の３成分のうちの２つを約１分の時間スケール内で数センチメートル以内で求めるのに十分なジオメトリの変化がある。２つ以上のＬＥＯ衛星が使用される場合、以下に示すように、位置の３成分すべてがほぼ約１分以内に解明され得る。
【００８２】
電波妨害防止性能が必要とされるものの、センチメートルレベルの正確度は必要でない状況では、システムはまた、モデル誤差状態が或る誤差を吸収するようにしてもよい。誤差残余を最小限に抑える推定器の特性を考えると、この挙動は適切である。したがって、推定器は、ほどほどのモデル化誤差が存在する場合でも依然として適度に実行する傾向がある。基本フィルタリングアプローチも、ユーザ、基準、および衛星位置誤差、大気および電離圏バイアス、ならびに多重経路を含むがそれらに限定されない、ゆっくり変化するバイアス状誤差源を吸収することができる。たとえば、ＬＥＯ衛星における天体暦誤差δｒは、上述の観測方程式において共通モードのバイアスを生成することが示され得る。
【００８３】
【数１２】
0005627853.tif 000013
【００８４】
単一の時刻についての修正された最小二乗の解は、以下のようになる。
【００８５】
【数１３】
0005627853.tif 000014
【００８６】
元の非摂動コスト関数を減算すると、以下のようになる。
【００８７】
【数１４】
0005627853.tif 000015
【００８８】
その引数は以下のために消える。
【００８９】
【数１５】
0005627853.tif 000016
【００９０】
この同じ結果は、その時間微分について続く。一般に、ユーザが電波妨害に抵抗する動作のためのセンチメートルレベルの正確度からの大きくない逸脱を許容できるならば、この展開は、電波妨害防止に必要な間隔にわたる拡張積分を可能にする共通モードのバイアスレートの存在証明を提供する。言い換えると、さまざまな誤差源が自動的に対処されるようセットアップされ得る。電波妨害の存在下で拡張されたプリ検出間隔を上手く可能にするように、共通モードバイアス成分をトラッキング可能な推定器を適用することが、重要である。
【００９１】
好ましい実施例のアーキテクチャ
好ましい実施例では、ソフトウェア受信機実現化例において大量の信号処理が実行され、以下の説明はそのようなものとして仮定している。しかしながら、この発明は、特定の状況に鑑みて適切となるようなハードウェアおよびソフトウェアの任意の組合せを用いて実現されてもよい。
【００９２】
図１は、好ましい処理構造のトップレベル表現を示す。このアーキテクチャは、システム受信機のための搬送波位相の精密なフィードフォワード推定のみに頼っており、時期を得てかつ正確にユーザ受信機についてルーティングされるべきである。これらの支援信号は、ナビゲーションプロセッサ１１０によって演繹的に生成される。これらの信号が受信機全体にわたって一旦利用可能となると、電波妨害条件におけるロックが進行し得る。
【００９３】
信号は一般に、図の左から右に処理される。第１のステップは、ＳＴＡＰ（またはＳＦＡＰ）モジュール１０４（ａ）〜（ｃ）によって表わされるような抽出を行なうことである。各入力帯域は別個の電波妨害シナリオおよびアンテナバイアスで終わるため、別個のＳＴＡＰモジュール１０４が各帯域、すなわちＧＰＳ  Ｌ１、ＧＰＳ  Ｌ２、およびＬＥＯに対して別個に作用する。輸送体の姿勢がわかっていれば適応ビーム形成がより効果的であるため、各ＳＴＡＰモジュール１０４は、輸送体姿勢のフィードフォワードによって支援される。
【００９４】
次のシステムブロックは、衛星と帯域との各組合せについて１つずつあるトラッキングチャネル１０６（ａ）〜（ｃ）のバンクである。各帯域Ｌ１およびＬ２のための少なくとも１２個のＧＰＳ衛星チャネルと少なくとも３個のＬＥＯチャネルとに対処するよう、十分な処理リソースが好ましくは割当てられている。各チャネルは、拡張カルマンフィルタ１０８からフィードフォワード信号を５０Ｈｚで受入れ、入来受信機位相の演繹的推定を含む。
【００９５】
各チャネルが専用のトラッキングループを有する伝統的なＧＰＳ受信機とは異なり、好ましい実施例は、拡張カルマンフィルタ１０８に集中型調整器を作りだしている。このシステムブロックは、４０を上回る統合された状態変数を伝搬して、各相関器、ＩＮＳ、集合体トラッキングループ状態、およびユーザクロックをモデル化してもよい。
【００９６】
図１０は、ＬＥＯ衛星のための相関器の一例を示す。一般に、相関器１０００は、図示されているように構成されたコード生成器１００４、機能ブロック１００６、ビットタイマおよびフレーム生成器ブロック１００７、累算器１００８、データ除去ブロック１０１０、および積分器ブロック１０１２を含み、ブロック１００４、１００６、および１００７は、以下により詳細に説明されるさまざまなコマンドおよびデータ１００９を受信する。
【００９７】
トラッキングループは、搬送波ロック、ビット同期化、およびフレーム同期化、ならびにデータ復調を維持する。この点について、複素信号サンプル１００２は左から右に処理される。ＣＤＭＡグローバルスターといった拡散スペクトルＬＥＯ群については、入来信号からフィードフォワードコードが除去される。次に、入来搬送波位相のフィードフォワード予測が、入来する残留データ変調信号を分離する複素回転に変換され、それをベースバンドにダウンコンバートする。
【００９８】
ビット同期化については、ガードナーアルゴリズムが適用され、シンボル期間の半分だけ隔てられた３つの連続する積分間隔に基づいた判別器を作り出す。フレーム同期化は、予め定められたシンボルシーケンスを探索することによって適用される。搬送波トラッキングについては、ＱＰＳＫデータが次に除去される。フレームにおけるある特定の間隔にわたって、各ＬＥＯ衛星はデータをブロードキャストする。チャネルは、このエネルギを
同相（Ｉ）および直交（Ｑ）搬送波位相誤差トラッキング成分に統合するよう設計されている（１０１４）。これらの生のＩおよびＱは、搬送波位相トラッキング誤差角度への変換、および拡張カルマンフィルタ（図１の項目１０８）への組み込みのために、ナビゲーションプリプロセッサ（図１の項目１１０）にルーティングされる。ＬＥＯの生の出力の速度は、高い電波妨害下でも、高いＬＥＯブロードキャスト出力のために通常１０Ｈｚであるか、またはそれよりも速い。
【００９９】
図１１は、例示的なＧＰＳ相関器アーキテクチャ１１００を示し、それは一般に、図示されているように構成されたＮＣＯ１００８、コード生成器１０１０、および積分器１００４、１００６を含む。ここでも、複素信号サンプル１００２は左から右に処理される。信号はまず、コードおよびフィードフォワード搬送波双方の除去を受け、搬送波を回転させてほぼゼロ周波数まで精密にダウンコンバートされる。フィードフォワード補正値はナビゲーションプリプロセッサ（図１の項目１１０）によって生成され、（ＬＥＯトラッキングから間接的に生じる）ユーザクロック推定値、ストリーミングフィードフォワード天体暦、およびＧＰＳによって更新されるようなＩＮＳによって行なわれるユーザ位置の瞬時推定値からの寄与からなる。この点で、残留搬送波は効果的に準静的である。すべての位相回転は、残留システムバイアスおよび５０ｂｐｓのＧＰＳデータ変調を別にすれば、効果的に除去されている。
【０１００】
図１１を引続き参照すると、２つの半分のチャネルがともにグループ化されて、コードと搬送波のＩおよびＱ測定値との双方を有する完全なトラッキングチャネルを形成する。上半分チャネルのＰＲＮ生成器は「進み」マイナス「遅れ」（Ｅ−Ｌ）コード１０２０を出力するよう命令され、一方、下半分チャネルのそれは定時コード１０２０を出力するよう命令される。すべてのチャネル相関器出力は、ナビゲーションソリューションへの組み込みのためにナビゲーションプリプロセッサ（図１の項目１１０）にルーティングされる。
【０１０１】
図１２は、例示的なナビゲーションサポート機能を示す。この図は、システム１２００によって入来データ１２０１に対して行なわれるさまざまな動作を概略的に示す。一般に、システム１２００は以下の機能ブロック、すなわち、ＧＰＳデータ支援ブロック１２０８、データストリッピングおよび拡張ドウェルブロック１２０６、デコードブロック１２０２、測距誤差ブロック１２１０、大気補正ブロック１２１２、ストリーミング基準データブロック１２１４、天体暦生成ブロック１２１６、ＥＣＥＦへのＬＥＯ天体暦ブロック１２１８、およびＥＣＥＦへのＧＰＳ天体暦ブロック１２１６を含む。ナビゲーションプリプロセッサは、相関器からの生のＩおよびＱを、２つの主な目的、すなわち（ｉ）ストリーミングフィードフォワード支援生成、および（ii）距離測定値変換のために使用する。
【０１０２】
フィードフォワード機能のために、ナビゲーションプリプロセッサは、ＬＥＯ衛星から来るデータストリームをデコードする（１２０２）。このデータは、（ｉ）５０ｂｐｓのフィードフォワードＧＰＳデータ支援ストリームと（ii）地上基準測定値と（iii）ストリーミング天体暦フィードフォワード予測とを生成するために使用可能な、コード化されたメッセージを含む。
【０１０３】
距離測定値変換のために、生のＩおよびＱ測定値は、生の形から測距誤差１２０４に変換される。電波妨害の場合にはＧＰＳ信号は非常に弱いため、ＧＰＳのＩおよびＱは最初に、以下に説明するブロック１２０６において累算される。次に、ＬＥＯおよびＧＰＳ双方のＩおよびＱが、以下の計算を介して測距誤差１２０４に変換される。
【０１０４】
【数１６】
0005627853.tif 000017
【０１０５】
この発明では搬送波位相に主に重きが置かれているが、前述のコード測距判別器に関連付けられた二乗損失が、ここに提供されるこの新しいコヒーレントなコード位相判別器にあてはまらないことに留意することが重要である。平均化間隔がＪ／Ｓの二乗として増加するコードのみの判別器とは異なり、この判別器は、平均化間隔をＪ／Ｓに単純に比例して減少させる。性能の改良は劇的である。
【０１０６】
結果として生じるコヒーレントな受信機は、コードおよび搬送機双方の属性を十分に利用できる。極度の電波妨害状況下にあっても、受信機が搬送波ロックを維持する限り、それは、通常の位置決定、微分位置決定、およびＧＰＳ時刻の解像度を含むがこれらに限定されない任意の伝統的なＧＰＳまたは衛星のナビゲーションのために使用可能なコード測定値を提供することもできる。さらに、可変チップおよびマルチチップ相関器間隔保持といったコード性能を高めるために使用されるさまざまな技術が、この電波妨害防止システムに適用可能であり、または両立可能であることは、当業者には明らかであろう。
【０１０７】
図１３は、２０ｍｓのＧＰＳサンプルのより長い積分時間へのさらなる累積のための例示的な方法を示す。図示されているように、ＧＰＳデータビットシーケンサ１３０２は、演繹的に公知のデータビットを入来するＩおよびＱ測定値と整列させて、データ変調を取り除く。ＧＰＳの将来のバージョンといった他の全地球的ナビゲーション衛星システム（Global Navigation Satellite System：ＧＮＳＳ）のために、あらゆる形のシンボル変調が同一の態様で除去可能である。次に、準静的測定値が（ブロック１３０４および１３０６を介して）プリ検出間隔にわたって平均化される。ＰＤＩは長い期間であって、好ましい実施例ではたとえば５、１０または２０秒であり、電波妨害レベルの関数であるより長いコヒーレント積分時間に対応している。
【０１０８】
ＬＥＯおよびＧＰＳトラッキングチャネルの双方からの相関器出力測定値の全数は、システム状態更新のための基盤である。完全更新間において２つ以上のＬＥＯ測定値が利用可能な場合には、ＬＥＯの更新速度で位置状態の部分空間を更新し、それらをナビゲーションソリューション全体に取入れることが可能である。単一のＬＥＯ衛星しか利用可能でない場合には、ユーザクロックのみが更新される。
【０１０９】
慣性プロセッサ（図１の１１２）は、生の慣性データ１１１を入力として受取り、ずれを含む予め較正された誤差を補正し、バイアス状態推定値を適用し、ストラップダウンおよびナビゲーションアルゴリズムを行なって、広帯域幅のユーザ位置および姿勢１１３を計算する。慣性プリプロセッサ１１２の出力は、システムのための広帯域幅の位置および姿勢出力双方と、信号処理のための支援データとを提供する。
【０１１０】
この発明の別の局面は、図１４に示す中央調整器である。一般に、調整器１４００は、機能ブロック１４０５、１４０３および１４０４と通信可能に結合され、図に示すように前述のさまざまな信号と相互作用するカルマンフィルタ１０８を含む。公表された電波妨害保護を提供するために、受信機は、多くの場合、大きなダイナミックレンジにわたってサブセンチメートルレベルまで良好な、極めて正確なシステムのモデルを必要とする。正
確度および適時性の双方について表現されたこの許容範囲は、天体暦、基準位相測定値、および慣性出力にとって特に重要である。完全なシステムモデル（入れ子になった項目４１０、４１２および１４１４）は拡張カルマンフィルタ１０８の内部にあり、それはしたがって、図示されているような受信機におけるすべての相関器への搬送波位相フィードフォワード信号１４０２を生成する。
【０１１１】
電波妨害防止システムが適正に機能するための１つの鍵は、バイアス推定値を許容範囲内に保つことである。フィルタはすべての相関器測定値を採取し、ナビゲーションソリューションを慣性ソリューションと組合せて、慣性バイアス残余を求める。ＧＰＳ相関器出力が利用可能となる完全システムの更新中、システム全体の拡張カルマンフィルタ状態は更新され、新しいバイアスが慣性出力に適用される。
【０１１２】
以下の節は、電波妨害防止動作に必要な許容範囲を得るために必要な高性能システムモデルのさまざまな局面を説明する。
【０１１３】
好ましい一実施例の推定器は、位置誤差、ユーザクロック時刻、および全測距バイアスを直接推定するよう構成されている。このアプローチは、厳密な搬送波位相を、それが各相関器によって受信されるようにフィードフォワードするよう、より改善されたものである。一般的な単一の違いの形から始まって、観測モデルは、ＧＰＳまたはＬＥＯいずれかの単一の衛星の測定値について、以下のように構築され得る。
【０１１４】
【数１７】
0005627853.tif 000018
【０１１５】
式中、ユーザ位置ｘは、ＩＮＳによって供給される公称アンテナ位置ｘ0について線形化され、大気誤差項は、衛星からユーザへのダウンリンクに関連付けられると解釈され、ｂは、周期曖昧性および電子バイアスを含むすべての非モデル化の影響を含む一般的な集合体バイアスである。さらなる定義は以下のように与えられる。
【０１１６】
【数１８】
0005627853.tif 000019
【０１１７】
モデルを介して、または直接測定を介して得られる大気誤差補正値も、生の単一の差に適用される。τreferenceおよび基準リンク大気誤差が、周知のネットワーク技術を適用することにより、地上基準局について精密にわかると仮定される。たとえば、Ｗ．Ｉ．バーティガー（Bertiger）、Ｙ．Ｅ．バー・セバー（Bar-Sever）、Ｂ．Ｊ．ヘインズ（Haines）、Ｂ．Ａ．イイジマ（Iijima）、Ｓ．Ｍ．リクテン（Lichten）、Ｕ．Ｊ．リンドクィスター（Lindqwister）、Ａ．Ｊ．マンヌッチ（Mannucci）、Ｒ．Ｊ．ムエラーショーエン（Muellerschoen）、Ｔ．Ｎ．マンソン（Munson）、Ａ．Ｗ．ムーア（Moore）、Ｌ．Ｊ．ロマンス（Romans）、Ｂ．Ｄ．ウィルソン（Wilson）、Ｓ．Ｃ．ウー（Wu）、Ｔ．Ｐ
．ヤンク（Yunck）、Ｇ．ピーシンガー（Piesinger）、およびＭ．Ｌ．ホワイトヘッド（Whitehead）、「プロトタイプリアルタイム広域差動ＧＰＳシステム」（A Prototype Real-Time Wide Area Differential GPS System）、ナビゲーション：ナビゲーション学会会報（Journal of the Institute of Navigation）、第４４巻、第４号、１９９８年、４３３−４４７頁を参照されたい。次にユーザ測定値が積み重ねられて、以下のような線形の１組の観測値を形成する。
【０１１８】
【数１９】
0005627853.tif 000020
【０１１９】
この表現では、衛星ジオメトリ行列はここで、任意のＧＰＳまたはＬＥＯ衛星に一般化され、バイアスベクトルβは、各ＧＰＳまたはＬＥＯ衛星についての衛星バイアスに対応しており、時間バイアスΔτは、単一の差のクロックバイアス（τuser−τreference）に対応している。
【０１２０】
この発明の一局面によれば、ＧＰＳおよびＬＥＯ衛星は状態空間表現において区分化される。一方、ＧＰＳ衛星は、閉塞状態が優勢である際にそれらが集団でジオメトリを向上させる程度に、ＬＥＯ衛星と相互交換可能に扱われなければならない。さらに、この構造は、通常視野内に１〜３個あり得るより高出力のＬＥＯ状態変数のための別個のかつより速い更新速度にも対処しなければならない。電波妨害下での効果を最大にするため、システムおよび方法は最適な特性を正確に呈示しなければならない。
【０１２１】
この表現が使用可能となる前に、バイアス状態の共通モードが、単一の差の搬送波位相観測可能量のためのクロックバイアスと区別できないことに留意しなければならない。状態変数を定義する強力なアプローチは、ある特定の衛星を「マスタ」衛星として選択し、そのジオメトリおよびクロックバイアスを、最初に上に示したような他のすべてから減算することを伴う。残念ながら、このアプローチは、相互交換不可能な方法で衛星および測定値に重み付けする望ましくない不揃いな結果を生み出す。位置の解は、どの衛星をマスタに選択するかによって影響を受ける。強力なアプローチは、ジオメトリが変化し、また、２つ以上のＬＥＯ衛星が利用可能である可能性がある状態では実現が面倒であるだけでなく、解が最適でなく、高電波妨害シナリオから閉塞された環境に至って必要とされる性能の全スペクトルを取扱うことができるシステムを作り出すにはあまり適していない。後者の場合は、トラッキング中の絶えず変化する１組の衛星を生み出すため、マスタ衛星の指定とは両立不可能である。
【０１２２】
数値的な困難を防ぐには、状態変数の形をした、明らかに定義された新しい１組のバイアスモードを作り出すことが望ましい。新しい１組のバイアスおよびクロック状態は、（ｉ）観測不可能なモードを吸収し、（ii）共通モードに直交する１組の正規直交バイアス状態にするよう、定義される。
【０１２３】
【数２０】
0005627853.tif 000021
【０１２４】
トラッキングのための所望の特性は以下のとおりである。（ｉ）ユーザクロックを独立した状態推定値として分離する。（ii）バランスの取れた非優先的態様で各ＳＶを扱う「考慮したすべての」測定値処理構造、すなわち、構造内の特定のＳＶおよび関連する測定値の相互交換または回転とは独立したソリューションを確立する。（iii）ＧＰＳ衛星およびＬＥＯ衛星が非優先的にかつ相互交換可能に処理されるようにすることにより、閉塞を取扱う。（iv）輸送体の並進および回転による衛星および輸送体アンテナの中での頻繁なスイッチングにもかかわらず、最適な解を維持する。（ｖ）速いＬＥＯ測定値と遅いＧＰＳ測定値とのマルチレート分割に対処する。および（vi）頑強な拡張カルマンフィルタの実現化例と両立し得るように状態変数が数値的に良好に定義されることを確実にする。
【０１２５】
視野内の５個のＧＰＳ衛星および視野内の１個のＬＥＯ衛星について、バイアス状態の例示的な区分化は以下のように与えられる。
【０１２６】
【数２１】
0005627853.tif 000022
【０１２７】
正規直交下三角構造の利点は、多数のＬＥＯ衛星が視野内にある場合により容易に明らかとなる。ＬＥＯ衛星状態はＧＰＳ衛星よりも速い時間フレームで更新されなければならず、一方、同時に、ＧＰＳおよびＬＥＯ双方の他のすべての衛星測定値に対して各測定値を非優先的で等しく重み付けされた態様で扱う必要がある。以下の例は、トラッキングされる衛星全体（ＧＰＳ＋ＬＥＯ）の任意の数ｎについての行列Ｑのための陽の生成関数を示す。この例はまた、３個のＬＥＯ衛星が視野内にある場合の区分化も示している。
【０１２８】
【数２２】
0005627853.tif 000023
【０１２９】
この三角「Ｖ」正規直交行列構造は、ＬＥＯトラッキング状態変数をＧＰＳトラッキング状態変数と混ぜ合わせることなく、ＬＥＯトラッキングループ状態の更新がより速い時間スケジュールで起こることを可能にする。好ましい実施例の上部中央のブロックゼロは、相対ＧＰＳトラッキングモードがＬＥＯトラッキング状態とは独立していることを確実にする。左下のブロックの行列要素は、ＬＥＯ衛星に対してすべて共通モードである。したがって、ＬＥＯトラッキングループが迅速に更新されている最中の拡張ＧＰＳドウェルの中間間隔の間、ＧＰＳトラッキング状態は、次数を減らした新しいＬＥＯトラッキングシステムに対する受動的な共通モードの寄与因子として表現される。
【０１３０】
【数２３】
0005627853.tif 000024
【０１３１】
姿勢レバーアーム
実際には、ＩＮＳは輸送体上のＧＰＳアンテナとは連結されない。慣性からＧＰＳアンテナへのレバーアームｄは、ＩＮＳ誤差ｒとＧＰＳアンテナオフセットδｘとのベクトルずれを、（３×３）姿勢行列Ａの関数として、以下のように規定する。
【０１３２】
【数２４】
0005627853.tif 000025
【０１３３】
この方程式を、小さい姿勢動揺Ψのベクトルのための公称姿勢Ａ0について線形化することが可能である。
【０１３４】
【数２５】
0005627853.tif 000026
【０１３５】
慣性ナビゲーションシステムモデル
慣性システムの特性は、ＩＮＳベクトル誤差運動方程式の線形化された表現を分析することによって評価可能である（たとえば、Ｉ．Ｙ．バー・アイツハック（Bar-Itzhack）およびＮ．バーマン（Berman）、「慣性ナビゲーションシステムへの制御理論アプローチ
」（Control Theoretic Approach to Inertial Navigation Systems）、ＡＩＡＡ  ペーパー  ８７−２５９１、１９８７年を参照されたい）。
【０１３６】
【数２６】
0005627853.tif 000027
【０１３７】
式中、ｘは状態ベクトルであり、ｗはランダムノイズ誤差のベクトルである。慣性プロセッサのために、制御変数ｕは、予め処理されたストラップダウン加速度計およびレートジャイロ測定値に対応する。実際には、誤差方程式のために、これらの制御入力は正確に相殺され、したがってゼロと同一になると仮定される。我々は、３つの空間次元の各々においてジャイロおよび加速度計のバイアスについての６つの追加状態を追加して、この発明においてこれらの主要パラメータがどのようにリアルタイムで推定可能かを示す。
【０１３８】
次に、慣性システムダイナミックスが、以下の１５×１５の連立方程式におけるような状態空間の形で線形化され、表わされる。
【０１３９】
【数２７】
0005627853.tif 000028
【０１４０】
式中、ｇは重力による局所加速度であり、Ｒは地球の半径であり、ΩNおよびΩDはそれぞれ、北方向および下方向に射影された地球回転ベクトルの成分である。
【０１４１】
相関器モデル
ＧＰＳプリ検出間隔にわたって発生するＬＥＯ衛星からの迅速なクロック更新に鑑み、また、拡張された期間にわたって慣性ノイズの効果を正確にモデル化するためには、受信機相関器のモデルを保持することも好ましい。この統合モデルは、受信機ＮＣＯを内蔵状態変数として命令するためにも使用される。我々の目的は、以下のような標準測定値更新方程式に準拠することである。
【０１４２】
【数２８】
0005627853.tif 000029
【０１４３】
ここで状態変数は推定器状態であると考えられるため、バー表記が適用されている。完全な相関器モデルは、各衛星のためにフィードフォワード受信された信号位相を積み重ねることによって形成される。
【０１４４】
【数２９】
0005627853.tif 000030
【０１４５】
この発明の一局面は、相関器の適正なモデル化を伴う。慣性、ＧＰＳ／ＬＥＯトラッキングループ、および受信機クロックは通常、独立して動作するが、サブシステムは相関器
において、極めて密なセンチメートルレベルの許容範囲で相互接続される。相関器は、状態フィードバックのための主要メカニズムを提供する。各サブシステムは異なる更新速度で動作し得るため、各入力は好ましくは、相関器モデルにおいて、正確な状態フィードを十分に利用するよう勘案される。
【０１４６】
統合システム
ここで、考慮したすべての相関器、慣性、トラッキングバイアス、およびクロック状態方程式を以下のような単一の統合システムに組合せることが可能である。
【０１４７】
【数３０】
0005627853.tif 000031
【０１４８】
【数３１】
0005627853.tif 000032
【０１４９】
実際の相関器出力は、トラッキング中の各衛星のための積分された位相を以下のように積み重ねることによってモデル化される。
【０１５０】
【数３２】
0005627853.tif 000033
【０１５１】
以前の近似のため、この表現は、それが相関器出力のフィードフォワード成分と組合されない限り、および組合されるまで、スタンドアローンでは無効である。その場合、完全な相関器総出力は、以下の式によって与えられる。
【０１５２】
【数３３】
0005627853.tif 000034
【０１５３】
この離散モデルを用いると、ここでカルマンフィルタを適用することが可能である。上述の表現は、ある特定の位置および姿勢について線形化されて示されている。慣性および測距方程式は実際には非線形であるため、実際の実現化例は拡張カルマンフィルタ（図１の１０８）であることが必要とされる。この離散モデルを用いて厳密なバイアスについて解くことは、ＰＤＩの間の遅い成分ドリフトを捉え、誤差モデルが厳密になるようにする。各衛星の周囲の電波妨害に依存して、ＧＰＳ搬送波位相測定値の対角線ＲVは定常状態で約（０．５ｃｍ）2という近傍に位置する。誤差成長は、システムを駆動するホワイトプロセスノイズの出力スペクトル密度Ｒwpsdを積分することによって求められてもよい。
【０１５４】
【数３４】
0005627853.tif 000035
【０１５５】
式中、Ｐは帰納的状態共分散行列であり、Ｍは演繹的状態共分散行列である。動作中、好ましい実施例は完全拡張カルマンフィルタを用いて、初期状態、特定の非線形ジオメトリ、および時間変動Ｊ／Ｓ比率についてダイナミックに調節する。次に、測定値更新が以下の式によって与えられる。
【０１５６】
【数３５】
0005627853.tif 000036
【０１５７】
分析のためには、最適な推定器を用いて、Ｐが定常状態のポスト測定共分散となり、Ｍが定常状態のプリ測定共分散であるように観測ゲインを選択することが適切である。最適な定常状態のゲインＬは、周知の代数のリッカチ方程式を解くことよって計算されてもよい。完全な閉ループシステムの固有値λはその場合、以下のように計算されてもよい。
【０１５８】
【数３６】
0005627853.tif 000037
【０１５９】
これまでの説明は、電波妨害防止システム動作の基本概念を書き記してきた。しかしながら、我々は、このシステムを極めて要求の厳しい状況での使用にとって実用的にするように、好ましい実施例を実現してきた。好ましい実施例では、２つの違いというよりもむしろ単一の違いを採用して、各測距源をトラッキングしている。このより一般的な形は、多数のＬＥＯ衛星がトラッキングされ、衛星が視野内外に移行している間に、最小限の数のチャネルトラッキング源でダイナミック環境を最良に取扱う。
【０１６０】
特にＬＥＯの角度の大きい運動から生じる必須のジオメトリが存在する場合、この受信機は状態バイアスについても解き、ＧＰＳおよびＬＥＯ衛星からの搬送波位相のみを用いて正確な三次元の位置決定を明らかにする。この能力は、電波妨害下だけでなく、通常の
ＧＰＳ受信機にとってユーザプラットフォームダイナミクスが過酷すぎてトラッキングできない通常の信号条件の下でも拡張する。トラッキング状態バイアスには約１分または２分の時定数が与えられるべきである。
【０１６１】
拡張カルマンフィルタは、４つの成分、すなわち、受信機のすべての相関器に搬送波位相フィードフォワードを提供する連続的な時刻更新の形と、３つのマルチレート時刻／測定値更新とに細分される。３つのマルチレート間隔は、プロセスおよび測定ノイズのＩＮＳ、ＬＥＯ、およびＧＰＳ衛星スケールに対応している。これらの間隔は、特定のダイナミック環境および電波妨害環境に合わせられる。
【０１６２】
図１５は、拡張カルマンフィルタ１０８の動作のシーケンスのフローチャートを示す。ブロック１５０２で、フィードフォワード位相およびフィードフォワードＧＰＳデータビットが生成される。連続システムの次数を減らしたバージョンが、以下のように搬送波位相フィードフォワードを生成するために使用される。
【０１６３】
【数３７】
0005627853.tif 000038
【０１６４】
次のＩＮＳ、ＬＥＯおよびＧＰＳ更新（１５１０、１５１２、および１５１４）もフローチャートに示されている。一般に、最も速い間隔はＴINSで、それはユーザプラットフォームのダイナミクスを捉えるのに十分速い（１５０８）。最も遅い間隔に次いで遅い間隔はＴLEO（１５０６）で、それはＬＥＯデータ速度と概して同程度に設定される。最も遅い間隔はＴGPS（１５０４）で、それは瞬時に検出されたＪ／Ｓ比率に基づいてダイナミックに設定される。厳密値が特定の実現化例を考慮してカルマンフィルタを用いて最適に求められるべきである一方で、ＴGPSは以下の近傍に位置する。
【０１６５】
【数３８】
0005627853.tif 000039
【０１６６】
ＴGPSが２０秒である場合に結果として生じる誤差成長周期を図１６に示す。完全なシステムの更新の各々において、帰納的な位置知識は、相関器出力測定値から利用可能な新しい情報に従って減少する。その間に、ジャイロの角度のランダムウォークによって支配されるシステムプロセスノイズが、誤差不確実性を成長させる。カルマンゲインおよび処理間隔は、慣性誤差をほんのわずかの波長内に保つように選択される。
【０１６７】
システムの基本的な初期化は、従来のＧＰＳ受信機の周知の動作と違わない簡単な方法で実行されてもよい。コードとドップラーとの組合せの二次元探索空間は、衛星信号を見つけるために掃引される。受信機は、電波妨害のない状況下で取得し、電波妨害が発生すると継続する。受信機は電波妨害の状況下でも取得可能であり、この際、初期探索は電波妨害のない状況下よりも比例して長くかかる。
【０１６８】
電波妨害防止システムは、慣性システムを用いた動作に限定されない。それは、低ダイナミックまたは静的実現化例に対しても機能できる。低ダイナミックな場合のための完全なシステムは、以下のように見える。
【０１６９】
【数３９】
0005627853.tif 000040
【０１７０】
静的な場合は、ベロシティ状態を除去することによって実現される。
ナビゲーション出力の完全性はしばしば、決定的に重要である。ここに説明するナビゲーションシステムおよび方法は、完全性の最高可能しきい値を提供することと十分に両立し得る。電波妨害状況下ですら、拡張カルマンフィルタ１０８の定常状態への集束時には、異常な状況を検出するために測定値残余において利用可能な著しい量の冗長な情報がある。完全性アプローチは、周知の受信機自律完全性モニタリング（Receiver Autonomous Integrity Monitoring：ＲＡＩＭ）の変形を使用する。大抵の状態変数がセンチメートルレベルの正確度へと集束してきたこと、および慣性バイアス状態−特に位置誤差−に対する更新がセンチメートルレベルの正確度で起こっていることが仮定される。したがって、ＲＡＩＭ残余を以下のように構築することが可能である。
【０１７１】
【数４０】
0005627853.tif 000041
【０１７２】
これは、ｎ−４の自由度を効果的に有するカイ二乗分布を形成する。衛星の十分な冗長性、すなわちｎ＞４を考えると、故障仮説をテストするためにしきい値を残余に適用することができる。さらなる冗長性、すなわちｎ＞５、および電波妨害防止余裕を考えると、より精巧なＲＡＩＭ実現化例は障害検出および排除が可能である。
【０１７３】
前述のように、使用される任意の所与のＬＥＯ衛星２２２がτrefへのアクセスを有することを確実にするために、地上モニタ局のネットワークおよび従来のＧＰＳ時刻転送が採用されてもよい。これらの地上モニタ局が利用可能でない場合、採用可能な追加の代替例がある。第１のものは、図１７に示すような移動地上基準局１７０２である。基準局１７０２の精密な相対位置が運動学的ＧＰＳから利用可能である場合、この発明の基地局として機能するために必要とされる精密な基準クロックτmobileは、静止プラットフォームおよび移動プラットフォームの双方からの位相測定値から、最小二乗の意味において以下のように解かれてもよい。
【０１７４】
【数４１】
0005627853.tif 000042
【０１７５】
ＬＥＯ電波到達範囲よりも大きい距離にわたってネットワーク時間を転送する別の手段は、図１８に示すような相互リンクを用いることである。この実施例では、隣接する宇宙船１８０２と１８０４との間で双方向のコヒーレントな測距が実行される。各ＬＥＯ宇宙船はコヒーレントなクロックを用いて動作するため、各宇宙船クロックの誤差寄与は精密に相殺される。したがって、各輸送体位置の精密な知識を用いて、マスタ地上局１８０２の基準時間を再構成することが可能である。
【０１７６】
好ましい実施例のための同一の展開を共通視野を用いて呼出すと、以下のようになる。
【０１７７】
【数４２】
0005627853.tif 000043
【０１７８】
この結果は次に、同一の結果を共通視野展開として達成するために前に送られてもよい。すなわち、以下のようになる。
【０１７９】
【数４３】
0005627853.tif 000044
【０１８０】
前述の詳細な説明において少なくとも１つの例示的な実施例が提示されてきたが、莫大な数の変形が存在することが理解されるはずである。また、例示的な実施例は単なる例であり、この発明の範囲、適用可能性、または構成を多少なりとも制限するよう意図されてはいないことも理解されるはずである。むしろ、前述の詳細な説明は、例示的な実施例を実現するための便利な道路地図を当業者に提供する。添付された特許請求の範囲およびその法的均等物に述べられるようなこの発明の範囲から逸脱することなく、要素の機能および構成においてさまざまな変更が行なわれ得ることが理解されるはずである。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
ナビゲーションシステム（２００）であって、
基準受信機（２１０）と、
ユーザ受信機（２０２）と、
前記基準受信機（２１０）および前記ユーザ受信機（２０２）の共通視野にある全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星（２０６）とを含み、前記基準受信機（２１０）および前記ユーザ受信機（２０２）は前記ＧＰＳ衛星（２０６）から搬送波測距信号（２０８、２０９）を受信し、前記ナビゲーションシステムはさらに、
前記基準受信機（２１０）および前記ユーザ受信機（２０２）の共通視野にある第１の地球低軌道（ＬＥＯ）衛星（２２２）を含み、前記基準受信機（２１０）および前記ユーザ受信機（２０２）は、前記第１のＬＥＯ衛星（２２２）から受信されたＬＥＯ搬送波測距信号のそれぞれの第１および第２の測定値を計算するよう構成されており、
前記ユーザ受信機（２０２）は、前記ＬＥＯ衛星（２２２）を介して前記基準受信機（２１０）から前記第１の測定値を受信し、前記第１および第２の測定値を適用して、前記ユーザ受信機（２０２）によって受信された前記ＧＰＳ搬送波測距信号（２０８）の信号位相の演繹的推定値を構築するよう構成されており、前記演繹的推定値は、前記ユーザ受信機（２０２）での前記搬送波測距信号（２０８）の拡張積分の基盤として使用される、ナビゲーションシステム。
（態様２）
複数のＬＥＯ衛星（２２２）をさらに含み、前記複数のＬＥＯ衛星（２２２）の１つ以上は前記演繹的推定値に寄与する、態様１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様３）
前記ユーザ受信機（２０２）は、前記演繹的推定値を求めるために天体暦情報を採用しており、前記演繹的推定値は、拡張された積分間隔にわたる波長のごく一部分である、態様１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様４）
複数のＧＰＳ衛星（２０６）をさらに含み、前記ＧＰＳ衛星（２０６）からの複数のそれぞれの搬送波測距信号（２０８、２０９）は、前記受信機（２０２）によって組合されてナビゲーションソリューションを形成する、態様１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様５）
複数のＧＰＳ衛星（２０６）をさらに含み、前記ＧＰＳ衛星（２０６）からの複数のそれぞれの搬送波測距信号（２０８、２０９）は、前記受信機（２０２）によって組合されてナビゲーションソリューションを形成する、態様２に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様６）
前記拡張積分は、前記ＧＰＳ衛星（２０６）からの前記搬送波測距信号（２０８、２０９）に埋込まれたコード位相測距情報を復元させるために使用される、態様１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様７）
前記複数のＧＰＳ衛星（２０６）からの前記コード位相測距情報は、前記ユーザ受信機（２０２）の位置およびクロックオフセットを計算するために使用される、態様６に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様８）
前記第１および第２の測定値は、前記ユーザ受信機（２０２）に、前記基準受信機（２１０）と前記ユーザ受信機（２０２）との間の精密な相対時間推定値を提供する、態様１に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様９）
前記コード位相測距情報は、前記ユーザ受信機（２０２）に、前記基準受信機の時刻に対して精密であり、かつＧＰＳ時刻に対して正確である時間推定値を提供する、態様７に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様１０）
システムバイアスを推定するために、前記複数のＬＥＯ衛星（２２２）およびＧＰＳ衛星（２０６）のジオメトリの変化が、前記ユーザ受信機（２０２）によって採用される、態様５に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様１１）
複数のＬＥＯ衛星（２２２）をさらに含み、前記複数のＧＰＳ衛星（２０６）と、前記複数のＬＥＯ衛星（２２２）と、前記ユーザ受信機（２０２）に関連付けられたクロックとに関連付けられたトラッキングバイアス状態変数を区分するために、直交化が前記ユーザ受信機（２０２）によって採用される、態様５に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様１２）
前記ユーザ受信機（２０２）は静止している、態様５に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様１３）
前記ユーザ受信機（２０２）は低ダイナミクス下で動作する、態様７に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様１４）
前記ユーザ受信機（２０２）内の慣性ナビゲーションシステムは、前記ユーザ受信機（２０２）の運動を減算するために採用される、態様５に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様１５）
前記慣性ナビゲーションシステムによって生成された１組のバイアス補正値は、前記拡張積分の期間にわたって波長のほんの一部分よりも小さい正確性を提供するのに十分である、態様１４に記載のナビゲーションシステム（２００）。
（態様１６）
前記基準局（２１０）は移動式である、態様５に記載のナビゲーションシステム（２００）。
【図面の簡単な説明】
【０１８１】
【図１】この発明に従った例示的なユーザ送受信機アーキテクチャの概略全体図である。
【図２】この発明に従ったシステムの動作を示す概略全体図である。
【図３】この発明に従った基準ネットワークの概略全体図である。
【図４】この発明の一実施例に従った受信機の機能ブロック図である。
【図５】受信機および制御放射パターンアンテナ（ＣＲＰＡ）の機能ブロック図である。
【図６】この発明に従った受信機およびマルチビームステアリングアンテナ電子回路パッケージの機能ブロック図である。
【図７】この発明の一実施例に従った例示的な受信機構成である。
【図８】例示的なデータストリッピングプロセスの概略全体図である。
【図９】例示的な時刻転送プロセスの概略全体図である。
【図１０】例示的な地球低軌道（ＬＥＯ）相関器の機能ブロック図である。
【図１１】例示的なＧＰＳ相関器の機能ブロック図である。
【図１２】例示的なナビゲーションプロセッサの機能ブロック図である。
【図１３】拡張ドウェルプロセスの機能ブロック図である。
【図１４】拡張カルマンフィルタの機能ブロック図である。
【図１５】例示的な更新プロセスを示すフローチャートである。
【図１６】例示的な誤差周期の図形描写である。
【図１７】移動基準を有するナビゲーションシステムの概略全体図である。
【図１８】ＬＥＯ相互リンクを示すシステムの概略全体図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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